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저압터빈 최종단 블레이드 손상해석
Damage Analysis for Last-Stage Blade of Low-Pressure Turbine 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.12 = no.339, 2013년, pp.1153 - 1157  

송기욱 (한국전력공사 전력연구원) ,  최우성 (한국전력공사 전력연구원) ,  김완재 (한국전력공사 전력연구원) ,  정남근 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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증기터빈의 터빈 블레이드는 발전소 핵심설비 중 하나로, 로터의 디스크에 결합되어 회전함으로 써 증기 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜주는 역할을 하고 있다. 최근 터빈의 잦은 기동정지로 인해 블레이드 회전에 따른 원심하중이 반복적 작용하고 이에 따른 저압 증기터빈 최종단 블레이드의 손상이 자주 보고되고 있다. 본 논문에서는 터빈 블레이드에 발생되는 손상을 분석하여 블레이드에 발생되는 저주기 피로수명을 평가하였다. 증기터빈 최종단 블레이드의 균열발생 수명을 결정하기 위해 유한요소법으로 계산한 탄성응력에 Neuber's rule을 적용하여 진변형율 진폭을 계산하였으며, 예측된 수명과 블레이드 실제 기동정지횟수가 잘 일치됨을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A steam turbine blade is one of the core parts in a power plant. It transforms steam energy into mechanical energy. It is installed on the rim of a rotor disk. Many failure cases have been reported at the final stage blades of a low-pressure (LP) turbine that is cyclically loaded by centrifugal forc...

주제어

#증기터빈   #저압터빈 블레이드   #저주기 피로   #응력해석  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 저압터빈 최종단 블레이드에 발생된 균열의 원인을 조사하기 위하여 파면분석과 응력해석을 수행하였다. 파면에서 나타난 스트라이에이션(striation)으로 피로가 균열원인임을 파악하고, 블레이드에 대한 응력해석으로 균열발생부에 고응력이 작용함을 확인 하였다.

가설 설정

  • 6단 블레이드 최종단의 증기 온도는 최고 65℃ 이하의 낮은 온도이므로 열-변위 해석은 수행하지 않았다. 현장조사를 통해 블레이드 루트부와 핀, 디스크의 접촉부위는 운전 중 완전하게 접촉하고, 타이 와이어(tie-wire) 러그부는 느슨한 접점으로 힌지처럼 거동하는 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
증기터빈 블레이드의 주요파손 원인은? 증기터빈 블레이드의 주요파손 원인은 오랜 운전기간동안 증기내 불순물의 농축에 의해 피트(pit)가 발생되고 균열로 성장하는 부식피로 및 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)과 원심력과 굽힘응력에 의한 고주기 및 저주기 피로 등이다. 따라서 블레이드의 조기파손방지 및 안전성 확보를 위해서는 피로강도 및 수명에 대한 정확한 평가가 필요하다.
증기터빈이란? 증기터빈은 증기의 운동에너지를 기계적인 에너지로 변환하여 발전기를 고속으로 회전시키고 전력을 생산하는 발전소의 주요설비 중 하나이다. 대형 증기터빈의 최종단 블레이드는 포화증기의 온도조건에서 3600rpm으로 회전하며 끝단부위의 빠른 원주속도에 의한 침식과 습증기에 의한 부식에 의해 장기사용시 재료의 내구강도가 저하된다.
저압터빈 최종단 블레이드에 발생한 균열의 발생원인을 조사하기 위해 파단면 분석과 응력해석을 수행하고 블레이드에 발생되는 저주기 피로수명을 평가하여 얻은 결과는? (1) 파면분석 결과를 통해 핑거필렛 부위의 균열 은 기동정지에 의한 저주기 피로손상이 축적되어 발생된 피로균열임을 확인하였다. (2) 응력해석결과 정상 운전상태에서 원심력에 의해 균열이 발생된 블레이드 루트부 핑거필렛 부위에 1,282MPa의 높은 응력이 발생되었다. (3) 피로손상해석에 의해 계산된 블레이드의 피로수명은 4590회로 균열발견 시의 저압터빈의 기동정지 횟수 4999회와 잘 일치하였다.
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참고문헌 (6)

  1. Hwang, J. H., Jung, H. W., Kim, C. S., Kim, J. K., 2005, "Reliability Assessment of Steam Turbine Blade Steel Used by Stochastic Analysis Model," Spring Conference of KSME, pp.611-616. 

  2. Dewey, R. 2000, "Guidelines for Reducing the Time and Cost of Turbine Generator Maintenance Overhauls and Inspections," EPRI Report 1001070. 

  3. Mukhopadhyay, N. K., Chowdhury. G. S., Das, G., 1998, "An Investigation of The Failure of Low Pressure Steam Turbine Blades," Engineering Failure Analysis, Vol. 5, No. 3, pp.181-193. 

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  4. Mestanek, P. 2008, "Low Cycle Fatigue Analysis of a Last Stage Steam Turbine Blade," Applied and Computational Mechanics, Vol.2, No.1, pp.71-82. 

  5. Julie, A. B., Jess, J. C., James, L. H., 1990, "Fundamentals of Metal Fatigue Analysis," Prentice-Hall Inc. 

  6. Kim, H. and Kang, Y., 2010, "Crack Evaluation and Subsequent Solution of The Last Stage Blade in a Low-Pressure Steam Turbine," Engineering Failure Analysis, Vol.17, pp.1397-1403. 

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